Projet FNS : booster la microscopie THG pour observer les matériaux

La microscopie non linéaire, qui permet notamment d'imager en trois dimensions des échantillons vivants avec une résolution de l'ordre du micromètre, s’est fortement développée au cours des deux dernières décennies. « Alors que de nombreuses recherches sont menées dans le monde entier pour explorer son potentiel, en particulier pour des applications biologiques, il reste encore beaucoup à faire pour l'observation des matériaux », souligne Matthieu Simeoni, responsable du hub de reconstruction d’images à l’EPFL. Le subside Sinergia du Fonds national suisse récemment obtenu conjointement avec deux laboratoires de l’EPFL (Galatea Lab et LCAV), ainsi que la Colorado School of Mines (USA), d’un montant de 1,2 million de francs sur trois ans, permettra de systématiser et d’accélérer l’observation de structures complexes. Ce projet, nécessitant une expertise en optique, en interaction laser-matière et en traitement du signal et de l'image, coïncide parfaitement avec les conditions d’interdisciplinarité et de coopération liées à l’octroi des subsides Sinergia.

Un spatial light modulator pour prendre tout l'échantillon en une seule fois

Ce projet a pour objectif de développer un microscope par génération de troisième harmonique (THG) capable d'imager de manière accélérée des structures gravées au laser à l'échelle submicroscopique dans des matériaux transparents. Spécialiste du domaine, le Galatea Lab (STI) mène des recherches de pointe qui visent à donner aux matériaux de nouvelles propriétés afin d’en faire des guides d’onde, améliorer leur conductivité thermique ou leurs propriétés thermomécaniques. Un important point d’achoppement dans l’avancement des expériences et le passage à une potentielle industrialisation reste le temps nécessaire à l’obtention d’images de contrôle.

Obtenir une bonne résolution avec un microscope THG impose d’irradier l’échantillon avec une intensité lumineuse suffisamment élevée sans toutefois risquer d’endommager l’échantillon. Dans le prototype utilisé actuellement par le Galatea Lab, une seule source, focalisée par une lentille, scanne patiemment tout l’échantillon alors qu’un capteur de type CMOS très sensible, développé spécifiquement pour cet usage à l’EPFL, offre une bonne résolution. Des images prises sous plusieurs angles permettent ensuite une reconstitution en 3D et des comparaisons. Le projet interdisciplinaire soutenu par le FNS vise à remplacer la lentille de focalisation, par un système optique plus sophistiqué, du type spatial light modulator, qui permette de prendre tout l’échantillon en une seule image. Ce composant optique intermédiaire, dont le développement sera piloté principalement par le LCAV, servira à modifier la réponse impulsionnelle, c’est-à-dire la manière dont le système modifie le signal. « Le but sera d’optimiser les propriétés optiques du microscope. Il a pour contrepartie de flouter l’image et la rendre illisible par l’œil humain », souligne Matthieu Simeoni. L’expertise du Centre d’imagerie de l’EPFL sera nécessaire pour la reconstituer grâce à des techniques d’imagerie computationnelle.

L’exploitation des avancées récentes en matière de traitement numérique du signal, d'imagerie computationnelle, d'éclairage structuré, de microscopie directe et de traitement de l'image ainsi que les nouvelles technologies CMOS, sera ainsi utilisée au service d’une rapidité de scannage et de l’enregistrement d’une quantité d’informations incomparables.